[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010595694.3
• 申請(qǐng)日: 2020-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111721408B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張蠟寶;印睿;張彪;郭書(shū)亞;譚靜柔;葛睿;康琳;吳培亨
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01J1/42
• 分類(lèi)號(hào): G01J1/42
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 康翔

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法，采用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器作為陣元，組成超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列，陣元的數(shù)量可調(diào)整；采用透鏡陣列作為光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)，將透射光分成與陣元數(shù)量相等的多光束，分別匯聚到超導(dǎo)納米線探測(cè)區(qū)域；采用脈沖式激光器探測(cè)物體表面，將物體表面反射的不同光脈沖透過(guò)透鏡陣列，記錄每個(gè)光子的往返時(shí)間；采集各陣元探測(cè)的光子數(shù)，將陣元作為像元，由陣元的光子數(shù)計(jì)算像元的灰度值；將像元作為像素點(diǎn)繪制灰度圖，由每個(gè)光子的往返時(shí)間計(jì)算物體和像素點(diǎn)的距離，根據(jù)灰度圖和物像距離重建物體的三維圖像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超導(dǎo)納米光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陣列成像技術(shù)。

背景技術(shù)

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(簡(jiǎn)稱(chēng)SNSPD)是一種新型的單光子探測(cè)器，應(yīng)用在量子信息、空間通信、激光雷達(dá)、光譜檢測(cè)、時(shí)間飛行、深度成像等領(lǐng)域，具有高靈敏度、低噪聲、低暗計(jì)數(shù)、低時(shí)間抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

SNSPD采用超薄、超導(dǎo)材料制備的納米線，通過(guò)吸收光子形成局部熱點(diǎn)(hot-pot)，在納米線兩端產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單光子檢測(cè)。對(duì)處于超導(dǎo)態(tài)的納米線，施加一個(gè)偏置電流I_b，在納米線吸收光子后，局部形成熱島；熱島周?chē)碾娏鞒^(guò)臨界超導(dǎo)電流密度，該部分電阻升高，導(dǎo)致納米線電流下降，同時(shí)電阻區(qū)的焦耳熱效應(yīng)減弱，向周?chē)h(huán)境散熱；電阻區(qū)域逐漸減小，恢復(fù)到環(huán)境溫度后，電阻區(qū)域消失，納米線上電流恢復(fù)到初始狀態(tài)。

電脈沖的形成反映了納米線上電流I_D隨時(shí)間變化的過(guò)程，若外部偏置電流I_b恒定，則SNSPD等效為動(dòng)態(tài)電感L_k、開(kāi)關(guān)S和時(shí)變電阻Rn。當(dāng)SNSPD沒(méi)有產(chǎn)生光響應(yīng)時(shí)，納米線處于超導(dǎo)態(tài)，S閉合，電流通過(guò)納米線到地，I_L＝0，I_D＝I_B；納米線吸收光子后，S打開(kāi)，形成電阻Rn，由電流連續(xù)性定理，I_L+I_D＝I_B，I_D迅速減小，I_L迅速增加；由于納米線中電熱反饋機(jī)制的存在，幾百皮秒后納米線恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)，S閉合。

單個(gè)SNSPD的探測(cè)效率高于半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)，但它只能表征是否吸收了光子，無(wú)法準(zhǔn)確輸出光子的數(shù)量和空間位置分布。通過(guò)對(duì)光子的空間位置編碼，可以進(jìn)一步增加單光子所能表征的信息，但增加SNSPD的探測(cè)面積，會(huì)同時(shí)增加器件的動(dòng)態(tài)電感，影響探測(cè)器的速度。

使用大規(guī)模超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器陣列，讓單個(gè)像元的尺寸盡可能的小，通過(guò)多個(gè)像元實(shí)現(xiàn)大面積的單光子探測(cè)，但目前多個(gè)SNSPD組成大規(guī)模陣列并讀取還存在難度。

常用的成像系統(tǒng)是將模擬信號(hào)數(shù)字化，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，還原成原圖像。常見(jiàn)的兩種對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的方法。一是將微弱電流信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換并放大成電壓信號(hào)，即I-V變換，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將探測(cè)器的輸出信號(hào)完全還原，但在超導(dǎo)低溫條件下，常見(jiàn)的半導(dǎo)體射頻放大器內(nèi)部載流子不發(fā)生遷移，失去放大作用。二是時(shí)間段處理方法，前端采用電流電壓實(shí)時(shí)變換或積分電路，將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)V-F變換或比較器等電路轉(zhuǎn)換成脈沖，單個(gè)脈沖代表固定的電荷量，總電荷量與脈沖個(gè)數(shù)成正比。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，采用第二種方法，提出了一種基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法，將輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，在一段時(shí)間內(nèi)積分，再轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，根據(jù)總電荷量與輸出脈沖個(gè)數(shù)成正比的關(guān)系反演出脈沖個(gè)數(shù)，工作波段為750nm～1550nm，光子探測(cè)效率最高可達(dá)98％，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。